Una nuova stampante 3D utilizza la luce per trasformare liquidi appiccicosi in oggetti solidi complessi in pochi minuti.

Soprannominato il "replicatore" dagli inventori, dopo il dispositivo Star Trek che può materializzare qualsiasi oggetto su richiesta, la stampante 3D può creare oggetti più lisci, più flessibile e più complesso di quanto è possibile con le tradizionali stampanti 3D. Può anche racchiudere un oggetto già esistente con nuovi materiali, ad esempio, aggiungendo una maniglia all'asta di un cacciavite in metallo, cosa che le stampanti attuali fanno fatica a fare.

La tecnologia ha il potenziale per trasformare il modo in cui i prodotti, dalle protesi alle lenti per occhiali, sono progettati e realizzati, dicono i ricercatori.

"Penso che questo sia un percorso per essere in grado di personalizzare ancora di più gli oggetti, che siano protesi o scarpe da corsa, "ha detto Hayden Taylor, assistente professore di ingegneria meccanica presso l'Università della California, Berkeley, e autore senior di un articolo che descrive la stampante, che appare online oggi (31 gennaio) sulla rivista Scienza .

"Il fatto che tu possa prendere un componente metallico o qualcosa da un altro processo di produzione e aggiungere una geometria personalizzabile, Penso che questo possa cambiare il modo in cui i prodotti sono progettati, " ha detto Taylor.

La maggior parte delle stampanti 3D, comprese altre tecniche basate sulla luce, costruire oggetti 3D strato per strato. Questo porta ad un effetto "scalino" lungo i bordi. Hanno anche difficoltà a creare oggetti flessibili perché i materiali pieghevoli potrebbero deformarsi durante il processo di stampa, e supporti sono necessari per stampare oggetti di determinate forme, come archi.

La nuova stampante si basa su un liquido viscoso che reagisce formando un solido quando esposto a una certa soglia di luce. Proiettare modelli di luce accuratamente realizzati - essenzialmente "film" - su un cilindro rotante di liquido solidifica la forma desiderata "tutto in una volta".

"Fondamentalmente, hai un videoproiettore standard, che ho letteralmente portato da casa, e poi lo colleghi a un laptop e lo usi per proiettare una serie di immagini calcolate, mentre un motore fa girare un cilindro che contiene una resina per stampa 3D, "Ha detto Taylor. "Ovviamente ci sono molte sottigliezze:come si formula la resina, e, soprattutto, come calcoli le immagini che verranno proiettate, ma la barriera alla creazione di una versione molto semplice di questo strumento non è così alta."

Taylor e il team hanno usato la stampante per creare una serie di oggetti, da un minuscolo modello della statua "Il Pensatore" di Rodin a un modello di mandibola personalizzato. Attualmente, possono creare oggetti fino a quattro pollici di diametro.

"Questo è il primo caso in cui non è necessario creare parti 3D personalizzate strato per strato, " ha detto Brett Kelly, co-primo autore del documento che ha completato il lavoro mentre era uno studente laureato che lavorava insieme all'UC Berkeley e al Lawrence Livermore National Laboratory. "Rende la stampa 3D veramente tridimensionale".

Una scansione TC—al contrario

La nuova stampante è stata ispirata dalle scansioni di tomografia computerizzata (TC) che possono aiutare i medici a individuare tumori e fratture all'interno del corpo.

Le scansioni TC proiettano raggi X o altri tipi di radiazioni elettromagnetiche nel corpo da tutte le diverse angolazioni. L'analisi dei modelli di energia trasmessa rivela la geometria dell'oggetto.

"Essenzialmente abbiamo invertito quel principio, " ha detto Taylor. "Stiamo cercando di creare un oggetto piuttosto che misurare un oggetto, ma in realtà gran parte della teoria sottostante che ci consente di farlo può essere tradotta dalla teoria che sta alla base della tomografia computerizzata".

Oltre a modellare la luce, che richiede calcoli complessi per ottenere le forme esatte e le intensità corrette, l'altra grande sfida affrontata dai ricercatori è stata come formulare un materiale che rimane liquido se esposto a un po' di luce, ma reagisce per formare un solido quando esposto a molta luce.

"Il liquido che non vuoi curare è certamente avere dei raggi di luce che lo attraversano, quindi ci deve essere una soglia di esposizione alla luce per questa transizione da liquido a solido, " ha detto Taylor.

La resina per stampa 3D è composta da polimeri liquidi mescolati con molecole fotosensibili e ossigeno disciolto. La luce attiva il composto fotosensibile che esaurisce l'ossigeno. Solo in quelle regioni 3-D dove tutto l'ossigeno è stato consumato i polimeri formano i "cross-links" che trasformano la resina da liquida a solida. La resina inutilizzata può essere riciclata riscaldandola in atmosfera di ossigeno, ha detto Taylor.

"La nostra tecnica non genera quasi alcuno spreco di materiale e il materiale non polimerizzato è riutilizzabile al 100%, " disse Hossein Heidari, uno studente laureato nel laboratorio di Taylor alla UC Berkeley e co-primo autore dell'opera. "Questo è un altro vantaggio offerto dalla stampa 3D senza supporto".

Gli oggetti inoltre non devono essere trasparenti. I ricercatori hanno stampato oggetti che sembrano opachi usando un colorante che trasmette la luce alla lunghezza d'onda di polimerizzazione ma assorbe la maggior parte delle altre lunghezze d'onda.

"Questo è particolarmente soddisfacente per me, perché crea un nuovo quadro di stampa 3D volumetrica o "tutto-in-una volta" che abbiamo iniziato a stabilire negli ultimi anni, " ha detto Maxim Shusteff, un ingegnere del personale presso il laboratorio di Livermore. "Speriamo che questo apra la strada a molti altri ricercatori per esplorare questa entusiasmante area tecnologica".